某城市地铁站基坑降水方案设计及研究

王 静

(上海长凯岩土工程有限公司，上海 200433)

1 工程概况

某地铁站为地下3层岛式站。车站设计起点里程为ZK9+428.490，车站设计终点里程为 ZK9+580.990，车站外包尺寸全长154.5 m。车站主体标准段基坑深约24.06 m，基坑宽约20.3 m;盾构井段基坑深约25.86 m，基坑宽约24.3 m。车站两侧均为盾构区间，车站小里程为盾构始发，大里程端为盾构接收(见图1)。

2 工程地质和水文地质条件

2.1 工程地质条件

拟建场地地势总体平坦，局部地段稍有起伏，勘察期间测得自然地面标高一般为3.14 m～5.66 m左右，地貌类型属于“冲—海积水网化平原(Ⅱ2区)”。

根据详勘揭露的地层资料，拟建场地在80.20 m深度范围内地层属第四系全新统(Q4)及上更新统(Q3)长江下游三角洲冲积层。拟建场地地基土层自上而下可分为7层、14个亚(夹)层，从上至下各地层分别为杂填土、素填土、浜土、砂质粉土、粉砂、粉质粘土、粘质粉土夹粉质粘土、粉砂夹粉土、砂质粉土夹粉砂、粘质粉土、粉砂、粉质粘土夹粉土、中砂。

2.2 水文地质条件

2.2.1 潜水

根据区域资料，近3年～5年拟建工程最高潜水位为3.00 m左右，最低潜水位0.00 m左右，年变化幅度一般为1 m～3 m。

详勘期间(2018年10月～2019年1月)测得潜水水位埋深约 0.50 m～2.70 m(标高约 3.76 m～1.59 m)，初见水位与稳定水位埋深相当。根据观测成果，本区域浅部地层以粉性土、砂土为主，土层渗透性好，有利于地表水和潜水的相互补给，根据工程经验地表水与地下水水力联系较为密切。

2.2.2 承压水

本工程拟建场地分布有厚度约为3.2 m～7.9 m(平均厚度为4.63 m)的第④1层粉质粘土层，隔水性能较佳，属微透水层。其下部分布有厚度约为3.0 m～8.5 m(平均厚度为6.07 m)的第④1t层粘质粉土夹粉质粘土层，总体上透水性较差，有一定的隔水性能，属弱透水层。

第Ⅰ承压水一般赋存于30 m左右深度以下的砂土、粉土层中，主要接受径流及越流补给，据区域水文地质资料，水头埋深2 m～5 m。本工点第④1t层以及下伏的第⑤1层、第⑤3层、第⑤3t层与第⑥层及第⑦层直接相连，故可作为第Ⅰ承压含水层一并考虑，故该层地下水存在承压性，潜水与承压水之间有弱水力联系。

3 降水风险分析

3.1 基坑稳定性分析

本工程基坑开挖深度较深面临承压水突涌危险，为保证基坑开挖安全必须进行基坑抗突涌验算，如图2所示。

图1 基坑平面布置示意图

图2 基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图

根据力学平衡原理可知，在基坑底板与承压含水层顶板之间，只有土的自重大于承压含水层顶板处所能承受的支承托力，基坑底板才能有效抵抗突涌危险。承压水位控制比例可如下计算［1］:

其中，PS为承压含水层顶面至基底面间的上覆土压力，kPa;PW为初始状态下承压水的顶托力，kPa;hi为承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度，m;γsi为承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度，kN/m3;H为高于承压含水层顶面的承压水头高度，m;γw为水的重度，工程上一般取 10.00 kN/m3;FS为安全系数，工程上一般取1.05～1.20。

根据工程实际，以及对参数选取和计算，其他5个附属基坑均需要对④1t层进行减压处理。减压幅度为4.86 m～10.26 m。

基坑三、基坑四、基坑六三个不需要对⑤1层进行处理，剩余基坑均需要对⑤1层进行减压处理。车站主体基坑减压幅度最大，减压幅度为17.61 m～21.00 m。

第⑤3层在基坑施工期间，商业基坑开挖深度小于临界开挖深度，不需要减压，主体车站基坑开挖深度大于临界开挖深度，需要进行减压处理，减压幅度为 9.03 m～11.45 m。

第⑥层在基坑施工期间，附属基坑开挖深度小于临界开挖深度，均不需要减压，主体车站基坑开挖深度大于临界开挖深度，需进行减压处理，减压幅度为2.28 m～5.67 m。

3.2 地下水风险分析

通过分析本工程地质概况、水文地质特征以及围护结构，降水施工的可靠性直接影响本基坑工程的安全稳固，因此，最大程度的降低地下水的风险影响具有重要意义。

根据实地详勘数据分析，本基坑开挖深度范围内地下水含量丰富，而成分不均的粉土、粉砂等土层具有较大渗透性，基坑开挖时易产生流砂、坍塌等现象。依据《建筑与市政工程地下水控制技术规范》判断本降水工程复杂程度为复杂，地下水控制设计施工的安全等级为一级。

4 基坑降水设计

为保证基坑安全，须对承压含水层采取有效的减压降水措施，本案例开挖底板在第④1层粉质粘土层，地下连续墙深度进入第⑤3层，未完全隔断承压含水层，故为悬挂式降水。为防止产生基坑突涌破坏，在基坑开挖前应分层进行专项生产性抽水试验，另需在坑内坑外布置适量的备用观测井，作为水位观测井观测基坑中的水位，指导基坑降水运行，同时可兼作备用井抽水［2］。

4.1 水文地质参数选取

本工程降水设计水文地质参数如下:

1)潜水静止水位埋深分布取2.5 m;承压水静止水位埋深分布取 3.3 m。

2)水文地质参数如表1所示。

表1 降水设计水文地质参数表

4.2 减压降水设计

4.2.1 车站主体基坑减压降水设计

车站主体基坑对于第⑤1，第⑤3，第⑥各承压含水层独立降水，单独布置降水井。具体布置如下:

减压降水深井孔径650 mm，井管及过滤器外径273 mm。

第⑤1层布置12口降压井，井深42 m，过滤器长度10.00 m。

第⑤3层布置10口降压井，井深52 m，过滤器长度6.00 m。

第⑥布置9口降压井，降压井深为60 m，过滤器长度6.00 m。

在减压降水运行过程中，一旦勘察孔和监测孔突水，要求降水最大能力是将水位控制在开挖面以下1 m左右。本次降水设计暂不考虑勘察孔和监测孔，仅根据稳定性计算，“按需降水，分层降水”原则进行降水设计，同时利用visual modelflow模拟降水效果。

4.2.2 附属基坑减压降水设计

根据抗突涌计算，基坑减压降水情况如下:

1)附属基坑六。

基坑六只需对④1t层进行减压降水，根据降深要求，在基坑六中布置7口④1t层降压井，井深为30 m，过滤器长度为5 m。

2)附属基坑四。

基坑四需对④1t层进行减压降水，局部深坑位置需要对⑤1层进行减压降水。根据降深要求，在基坑四中布置3口④1t层降压井，井深为30 m，过滤器长度为5 m。布置1口⑤1层和④1t混合降水井。井深35 m，过滤器10 m。

3)附属基坑三。

基坑三需对④1t层进行减压降水，根据降深要求，在基坑三中布置6口④1t层降压井，井深为30 m，过滤器长度为5 m。

4)附属基坑二。

基坑二需对④1t层进行减压降水，局部深坑位置需要对⑤1层进行减压降水。根据降深要求，在基坑二中布置2口④1t层降压井，井深为30 m，过滤器长度为5 m。布置5口⑤1层和④1t混合降水井。井深35 m，过滤器10 m。

5)附属基坑五。

基坑五需对④1t层进行减压降水，局部深坑位置需要对⑤1层进行减压降水。根据降深要求，在基坑五中布置9口④1t层降压井，井深为30 m，过滤器长度为5 m。布置2口⑤1层和④1t混合降水井。井深35 m，过滤器10 m。

4.3 水位观测及备用井设计

本工程基坑地质条件复杂，地下水渗透性好，若基坑围护结构对地下水隔水效果不理想，在坑内直接抽降地下水将引起坑外地下水的同步变化，加剧坑外地面的沉降程度，造成恶劣的环境影响。因此，坑外需布置水位观测井，实时监测坑外水位变化情况［3］。

坑外水位观测井按照约20 m/组布置，共布置18组，每组各有1口潜水观测井和④1t与⑤1层混合层层压观测井兼回灌井水组成。井深分别为16 m，30 m。

基坑东侧增加⑤3层水位观测井兼回灌井，按照20 m间距布置。共布置6口井深为52 m。

4.4 疏干井设计

4.4.1 根据工程经验计算疏干井数

为确保基坑顺利开挖，需降低基坑开挖深度范围内的土体含水量，本工程需要疏干的层位包括第②层、第③2层、第③3层，尤其是第③2层、第③3层，这两土层渗透系数大，水量丰富［4］。

坑内疏干深井数量按下式确定:

其中，n为井数，口;A为基坑需疏干面积，m2;a井为单井有效疏干面积，m2。

本工程土层渗透系数大，水量较大，该地区单井有效疏干面积a井为150 m～250 m综合考虑，单井有效疏干面积取值250 m2。疏干井布置如表2所示。

表2 疏干井布置表

4.4.2 疏干降水深井布置原则

疏干降水深井的布置原则为:井深宜进入坑底6 m～8 m;井平面位置最终施工时应避开坑内支撑、格构柱、工程桩、坑内加固等位置，过滤器以分断面过滤器为主［1］。

成井施工结束后，即可在疏干管井内及时下入泵、铺设排水管道、电缆线等，另外，为避免电缆与管道系统在抽水过程中不被挖土机、吊车等碾压、碰撞损坏，设计时需合理布置，并在现场对这些设备上进行标识［5］。抽水与排水系统安装完毕，即可开始试抽水。

5 结语

在地铁站的施工及后续维护使用中，基坑降水技术对整个工程的安全和质量起着极其重要的作用，科学合理的降水方案是工程降水效果和工程降水质量的保障，也是地铁站在施工和后续维护使用中的安全壁垒。本工程通过对地铁站点进行水文地质勘测和分析，提出符合该站点地铁安全施工要求和地质特点的降水设计，在基坑开挖中，取得了良好的降水效果和沉降控制效果，可为同类工程降水处治提供参考。